物理學原理在光伏硅產品檢測中的應用

馬祿彬

（江西新能源科技職業學院，江西 新余 338004）

0 引言

光伏硅產品檢測是保障光伏產品質量的重要手段，它要求檢測人員熟悉檢測原理，并能將所學的檢測知識靈活應用于實踐。而物理學原理的應用貫穿于整個光伏硅產品產業鏈，起著至關重要的作用。熟悉所需物理知識并掌握物理學原理在其中的應用，一方面，可加強檢測原理的深入理解，為學生檢測技能水平的提高創造條件；另一方面，可幫助教師根據專業需求設計教學重點，從而提高人才培養的實用性和有效性。

1 光伏硅產品檢測類型及項目

根據檢測對象的不同，光伏硅產品的檢測可以劃分為：晶硅原輔料檢測、硅錠（棒）的檢測、硅片的檢測、晶硅電池片的檢測、光伏組件的檢測以及光伏發電系統的檢測[1]。也可根據檢測的性能參數分為：光伏硅產品的外觀檢測、機械強度檢測、電學參數檢測以及光學性能檢測[2]。例如：硅錠（棒）電學性能檢測項目主要有導電類型的檢測、少子壽命的檢測以及電阻率的檢測；晶硅電池片電學參數的檢測項目主要有電池漏電缺陷檢測、接觸電阻、開路電壓與短路電流的檢測。晶硅電池片光學檢測項目主要有光致（電致）發光檢測、電池片厚度及折射率檢測、電池片表面反射率的檢測；光伏組件電學性能的檢測項目主要有光伏組件I-V特性檢測、PID檢測以及絕緣性檢測等。

2 光伏硅產品檢測中的物理學原理

光伏硅產品檢測中的物理學知識主要包括：力學、熱學、光學以及電磁學。物理實驗方法中蘊含的思想可以提升思維能力，給思考過程帶來靈感和創意[3]，還能促進工藝改善、推動技術革新，進而為培養創新型高端技術人才奠定基礎。根據光伏產業檢測崗位的職業規范以及光伏產品的檢測標準，現就一些主要檢測項目的物理學應用進行簡單介紹。

2.1 力學應用

力學原理在光伏硅產品檢測中的應用，主要指通過物質之間的相互作用，測量受力下的形變，或是根據受力物體的運動規律判斷其性能及品質。在晶硅電池及光伏組件的原材料檢測中較為常見，如硅太陽電池漿料附著力檢測：主要針對燒結后形成的鋁硅合金，應用拉力計，采用拉開法檢測鋁漿與電池硅基體之間的附著力；鋼化玻璃的鋼化強度檢測：采用鋼球在距離玻璃一定高度處自由下落，撞擊后檢查玻璃是否破碎；光伏組件的背板層粘接強度檢測：要求劃開夾層，一邊夾緊，另一邊用拉力計測試粘接拉力；光伏組件機械強度以及最大承壓檢測：采用一定質量的冰球以一定速度進行撞擊，測試是否產生嚴重缺陷；接線盒連接器抗拉力檢測：接線盒與連接器連接，固定接線盒，用拉力器測量能承受的拉力；組件機械載荷及冰雹撞擊檢測：通過模擬自然環境中的積雪、冰雹，采用一定動量的冰雹從不同角度撞擊組件，檢測其外觀缺陷及電性能的衰減情況。

2.2 熱學應用

熱學原理在光伏硅產品檢測中的應用，主要是利用溫度或能量的差異，檢測與熱力學性質相關的性能參數并對其分析和判斷。如冷熱探筆法測單晶硅的導電類型：在待測樣品上壓上兩根金屬探筆，一根通過電阻絲加熱作為熱探筆，在兩接觸點上產生溫度差，根據塞貝克效應，就會在檢流計回路中形成一定方向的溫差電流，以此判斷晶硅的導電類型；晶硅電池漏電檢測：根據斯蒂芬-玻爾茲曼定律，如果硅太陽電池以某種形式注入能量，電池內部就會形成溫度場分布，缺陷部位的溫度與周圍形成差異，漏電區域產生的熱量會向周圍擴散，形成溫度梯度分布，由紅外熱像儀接收紅外輻射，形成熱像圖；組件熱循環檢測：在自動控溫的氣候室內進行循環測試，并在極端溫度下保持一定時間，檢測組件短路、電性能衰減、絕緣電阻等情況，以此判斷組件由于外部溫度變化引起的熱應變能力。

2.3 光學應用

光學原理的應用，在光伏硅產品的檢測中十分重要，特別在單晶硅料、硅片的檢測中較為常見，主要通過光波與物質間的作用，產生激發、發射現象，根據光波的反射和衍射，利用接收到的紅外光譜、可見光光譜或X射線衍射光譜，對檢測對象進行分析和判斷。如單晶硅定向檢測：主要包括光圖定向檢測和X射線定向兩種方法，都應用到了光學原理，在光圖定向檢測過程中，當平行光入射到硅單晶腐蝕坑時，會被密排平面反射到不同的方向，反射光會在光屏上顯示晶體的光象，根據光象的對稱性以及光圖中心的偏離角，確定晶體的生長方向；單色X射線定向檢測：是利用單色X射線照射到待測晶體上，使其在某晶面產生衍射，改變晶體位置，使該晶面放置位置相對入射的X射線滿足布拉格方程，不同結構的晶體和不同晶面其衍射線方位不同，根據衍射線的方位來確定晶體的取向；晶體硅中碳氧雜質的紅外光譜檢測：分子中原子鍵的振動頻率與紅外光某一頻率相同時，分子就會吸收此頻率的光發生振動能級躍遷，產生紅外吸收光譜，利用紅外吸收光譜對晶體硅中的碳氧雜質進行定性及定量分析；光學投影法對硅片直徑的檢測：利用光學投影儀放大待測試樣圖像，通過調節使硅片邊緣輪廓清晰地顯示在顯示屏上，利用螺旋測微計進行讀數測量；掠入射干涉法對硅片平整度的測量：硅片待測表面盡可能平行地靠近干涉儀基準平面，單色光源平面波受待測平面和基準平面的反射，形成干涉條紋，分析干涉條紋可度量待測平面的平整度；金相顯微鏡法觀測位錯密度：利用金相顯微鏡對位錯腐蝕坑進行放大觀察，近似計算硅晶體中的位錯密度大小；硅太陽電池光致發光（PL）檢測，使用激光或LED光源照射硅片表面，在內部產生非平衡載流子，一部分激發的電子與空穴復合，多余能量以光子釋放，通過CCD攝像頭接收發光光譜形成2D圖像，從而對硅太陽電池少子壽命以及晶體缺陷進行分析判斷。

2.4 電磁學應用

電磁學原理的應用在光伏硅產品檢測過程中，扮演著重要的角色，因為光伏產品的性能指標和質量參數多以電磁學參數表現，例如：晶硅太陽電池的短路電流Isc、開路電壓Voc、填充因子FF、轉換效率η等。另外，在晶硅的電阻率檢測、硅片的厚度測試中也都應用到了電磁學原理。如四探針法硅單晶電阻率的檢測：應用四根等距的探針壓在樣品的平整平面上，給外面兩根探針通以恒流電流，然后應用電位差計檢測中間兩根探針間的電壓，根據相應的計算公式可求出樣品的電阻率；直流光電導衰退法檢測少子壽命：待測樣品在光脈沖照射下，產生非平衡少數載流子，引起樣品的電導率及電壓的變化，用示波器記錄光照停止后，待測樣品兩端電壓或電阻隨時間的變化，得到非平衡載流子濃度隨時間變化的衰減曲線，再由此衰減曲線得到單晶材料的少子壽命；靜電電容法測量硅片的厚度：將待測硅片置于高頻電場中，電容傳感器的電容極板與硅片的表面構成一個電容器，這個電容器的電容與傳感器中標準電容的偏差，與交流信號的頻率及振幅成比例關系，通過一個標準線性電路求出電流的變化量，再通過電流的變化量求出硅片的電容量，進一步得到待測硅片的厚度。

3 結語

物理學原理在光伏硅產品檢測中，發揮著極其重要的作用，其貫穿于整個光伏晶硅產業鏈。力、熱、光以及電磁學的應用，是硅產品檢測和光伏產品檢測的重要方法和手段，檢測人員只有充分掌握了檢測過程中所涉及的物理知識與原理，并能在實際檢測過程中靈活運用，才能真正的滿足新能源行業的發展以及社會科技進步的需要。